矿井用智能化自复式泄爆门关键技术的研发

矿井用智能化自复式泄爆门关键技术的研发

陈伟何军朱建国

扬州市江隆矿业设备有限公司，江苏扬州225000

摘要：本文阐述了矿井用智能化自复式泄爆门的关键技术的研发过程，成功研发的新型智能化自复式泄爆门克服了传统泄爆门的缺点，爆炸时自动开门泄爆，爆炸后快速复位，有助于最大限度地减小瓦斯煤尘爆炸造成的人员伤亡，消灭重特大瓦斯煤尘爆炸事故。标题)

关键词：矿井；自复式泄爆门；技术；研发

引言：《煤矿安全规程》第121条规定：装有主要通风机的井口必须封闭严密；装有主要通风机的出风井口应安装泄爆门。第124条规定：主要通风机停止运行期间，必须打开井口泄爆门和有关风门利用自然风压通风。煤矿风井泄爆门是保护主通风机的重要安全设施。在本世纪以来的重大煤矿爆炸事故中，因风井泄爆门设计缺陷造成事故扩大化的问题屡有发生，使得煤矿风井泄爆门受到多方关注和重视，并获得快速革新和发展。

本次研究就是为了研发出适合矿井使用，又能达到《煤矿安全规程》的矿井用智能化自复式泄爆装置。

1研究内容(文档标题)

1.1具体研究开发内容和要重点解决的关键技术问题

(2.1.1.1具体研究开发内容

（1）井下发生瓦斯（煤尘）爆炸后，泄爆门能及时卸压（高温高压的冲击波压力）并及时复位；

在很多过矿井灾变中，泄爆门体直接面对冲击波，可以做到瞬间打开，但泄爆门也被冲击波损坏，造成不能复位或复位后因漏风过大，通风系统不能向井下送风。因此避免冲击波对门体的破坏，泄爆后快速复位及时给井底送风。

开展泄爆门控制系统的算法和系统可靠性研究，以提高控制系统的整体性能。根据系统所要求的控制效果及性能。对泄爆门进行系统化的总体设计。选用MSP430f149单片机作为微处理器，设计并实现PID算法的控制程序，根据无刷直流电机控制原理完成参数整定，并编写控制算法程序。根据被控系统原理和模糊控制理论，在MATLAB软件中使用模糊推理系统建立、编辑、观察、分析和设计了模糊控制和模糊PID控制器，获取控制规则表并编写了基于单片机的控制算法程序。结合模糊控制理论和神经网络的优点，在MATLAB中的自适应神经模糊系统中，使用“反向传播法”推理得到模糊控制规则和隶属度参数，设计、训练并实现了模糊神经网络。因为泄爆门控制系统必须具有良好的稳定性和可靠性，需要对控制系统的软件和硬件进行了可靠性设计，以减小甚至消除产品隐患和薄弱环节。通过上升时间、受扰动稳定性等控制性能因素的比较，选用综合控制效果最好的模糊PID控制算法，文实现泄爆门控制，获得了较好的控制效果。

（2）采用纤维增强环氧树脂复合材料的连杆机构，解决宽幅泄爆门同侧门体，既要实现同步连杆驱动，又要避免金属材料自身重量带来的迟缓问档题。

无论是在泄爆前后，如同侧门体不同步，必将使得门体变形，门体变形，就无法实现复位后的密封效果，增加漏风率，形成空气短路，送风系统的送风效果就会降低。

项目产品是采用连杆机构。随着对生存性要求的提高以及复合材料在泄爆门结构中使用的日益普遍,金属连杆机构也有被复合材料机构取代的趋势,一些要求有高损伤容限的部位更是如此。

针对耐热性和韧性对多官能团环氧进行改性,开发新型高温高韧环氧树脂体系,并对其浇注体和CF增强复合材料进行测试,同时模拟各种恶劣环境进行了人工加速老化试验,研究改性环氧浇注体和CF增强复合材料的环境适应性,并将CF改性环氧树脂复合材料作为支撑增强体。采用苯并六元杂环和海岛型增韧改性剂对多官能团环氧树脂进行改性,苯并六元杂环结构能够提高树脂的耐热性能,并且固化时没有小分子放出,使树脂结构致密,海岛型增韧成分和环氧树脂固化后形成两相结构,能够钝化和抑制裂纹的扩展,起到提高环氧韧性的作用。经过改性的高温高韧环氧树脂体系加工性能好,固化产物交联密度高,力学性能好,拉伸强度为42.8MPa,模量为3.4GPa,断裂伸长率达到4.2%,耐热性能好,与碳纤维和玻璃纤维能够良好地结合并有效地传递载荷,CF增强改性环氧树脂复合材料抗拉强度达到2500MPa以上,经过160℃加热3h后,仍能够保持96%以上的强度,玻璃化转变温度为155.5℃,强度高,耐热性能好。标改性环氧树脂体系的固化反应起始温度、反应峰值温度和反应结束温度随着酸酐固化剂含量的增多而有所提高。对CF增强改性环氧树脂复合材料在生产过程中可能产生内部结构缺陷的因索进行分析,并制备可能含有相应缺陷的复合材料,研究其内部组织结构对工艺的响应。在纤维增强环氧树脂复合材题料拉挤制备过程中,应确保原材料的性能,调整好拉挤速度、温区温度和梯度等工艺参数。

整个组件经过了下述鉴定试验与环境试验:静载试验和交变载荷试验。前者先进行静力试验,静力试验之后,材料在正常载荷条件下工作1M个循环,完成交变载荷试验。

（3）选用高阻抗输出的电荷型压电式压力传感器，采取相应的抑制措施以及补偿方法，提升传感器测量的准确性和反应的灵敏性。

冲击波超压峰值是衡量爆炸效果的一项重要指标，通过传感器实测最为直接和快捷。但冲击波超压值稳定性及一致性差,需要分析爆炸冲击波压力测)试过程中常见的干扰因素，采取相应的抑制措施以及补偿方法。设计爆炸冲击波无线存储测试装置，选用高阻抗输出的电荷型压电式压力传感器作为冲击波测量传感器，并设计对应的信号调理电路,实现对传感器输出信号的转换、滤波以及放大。基于STM32芯片设计主控电路,基于NandFlash芯片设计存储模块,并设计USB通讯接口电路、触发电路,集成4G无线模块、定位授时模块以及电源管理模块。建立爆炸冲击波压力测试系统的误差模型,分别计算各分项测量标准不确定度,并给出该装置总的测量不确定度。针对爆炸冲击波超压信号干扰严重问题,提出测量和剔除振动信号的方法,并验证了其有效性。利用仿真得到的干净冲击波信号及噪声信号模拟实测冲击波信号,采用去噪效果较好的EMD去噪方法对实测冲击波进行去噪处理,提高冲击波压力峰值提取和比冲量计算的准确性。

（4）采取泄爆门与方形密封池之间的密封结构设计，以椭圆形和月形相结合的密封方式，以保证直径4米以上泄爆门密封效果。

泄爆门一直采用圆锥形，由于直径过大，平面度很难控制，现实使用中增加了水槽结构，使用了液体密封。尽管如此，液体夏季挥发，冬季会结冰，水槽内的杂物和液体给门体直接造成腐蚀，缩短泄爆门的使用寿命。

泄爆门与方形密封池之间的密封结构设计。根据密封圈截面的不同，目前的密封方式通常有矩形、椭圆形、骨形、塔形、月形和O形橡胶密封圈6种。经过对密封件的压缩过程和应力分布分析，几种异型密封件无论在装配状态下还是大开缝时均可满足一定的密封要求。异型密封件可在较大开缝时(5mm以上)保证良好的气密性，弥补了传统O形圈的不足。经有限元分析和试验验证，密封结构确定采用椭圆形和月形相结合的密封方式，确保了备用立风井泄爆门封闭立风井后的有效风量大于90%。

泄爆门底盘密封设计。底盘的上平面与大气环境相通，为了减少漏风，当备用泄爆门推至原风井盖上方时，要求与外界应有可靠的密封。采用的密封办法是在底盘上平面槽钢位置处粘接厚度20～30mm的橡胶海绵密封条，当泄爆门的处于备用状态时，由于泄爆门自重而压紧橡胶海绵使其紧贴底盘上平面，当泄爆门处于工作状态时，压在槽钢位置处的海绵条起到密封作用。底盘下平面密封比较复杂，一方面是底盘在行走进入混凝土方箱位置时侧边始终要处于密封状态，另一方面是底盘到位时其前后端面也要处于密封状态，这样才能满足泄爆门的密封要求，有效防止漏风。采用的密封方案是在活动槽钢上粘接厚度6×60mm，长7640mm的密封条，当活动槽钢到达指定位置时通过紧贴密封条接触，保证活动槽钢和固定槽钢之间的可靠密封，以防气体从此位置泄露，达到密封效果。

1.1.2需解决的关键技术问题

（1）提前开启和快速复位问题

泄爆门在冲击波到达前就开启，避免对泄爆门本体的冲击减少门体的变形，对复位后泄爆门的密封效果有很大的影响。本项目采用热感技术和程序控制，实现了提前打开泄爆门尽量减少冲击；泄爆后电机驱动快速关闭的方案。根据泄爆门所要求的控制效果及性能对系统进行总体设计，重点研究泄爆门控制算法，包括传统的PID控制、模糊控制、参数自整定模糊PID控制和自适应模糊神经网络控制。

选用MSP430f149单片机作为微处理器，设计并实现PID算法的控制程序，根据无刷直流电机控制原理完成参数整定，并编写了控制算法程序。根据被控系统原理和模糊控制理论，在MATLAB软件中使用模糊推理系统建立、编辑、观察、分析和设计了模糊控制和模糊PID控制器，获取控制规则表并编写基于单片机的控制算法程序。结合模糊控制理论和神经网络的优点，在MATLAB中的自适应神经模糊系统中，使用“反向传播法”推理得到模糊控制规则和隶属度参数，设计、训练并实现模糊神经网络。由于泄爆门控制系统要求具有良好的稳定性和可靠性，因此需要对控制系统的软件和硬件进行了可靠性设计，以减小甚至消除产品隐患和薄弱环节。通过上升时间、受扰动稳定性等控制性能因素的比较，选用综合控制效果最好的模糊PID控制算法，实现了自动门控制，获得了较好的控制效果。

（2）宽幅泄爆门同侧门板同步启闭的问题

宽幅在4米以上的门板，如果仅仅是采用一个驱动点，无论放在哪个位置，在重量和驱动力以及惯性作用下造成门板变形，最后无法到达复位后的要求。因此在两侧均设置驱动点，同步又会是问题。使用同一轴来完成两侧驱动，用钢制材料制作，材料的自重就会造成轴本身的变形，最终可能会被卡死。通过多方对比和试验，选用某种有高损伤容限的玻璃纤维加强的环氧基复合材料，并通过静载试验和交变载荷试验。试验程序为:先进行静力试验,静力试验之后,材料在正常载荷条件下工作1M循环,完成交变载荷试验。该材料的选用，能够在降低自重影响前提下，实现宽幅门体两侧的同步。

（3）选用高阻抗输出的电荷型压电式压力传感器，采取相应的抑制措施以及补偿方法，提升传感器测量的准确性和反应的灵敏性。

冲击波超压峰值是衡量爆炸效果的一项重要指标，通过传感器实测最为直接和快捷。但冲击波超压值稳定性及一致性差,需要分析爆炸冲击波压力测试过程中常见的干扰因素，采取相应的抑制措施以及补偿方法。设计爆炸冲击波无线存储测试装置，选用高阻抗输出的电荷型压电式压力传感器作为冲击波测量传感器，并设计对应的信号调理电路,实现对传感器输出信号的转换、滤波以及放大。基于STM32芯片设计主控电路,基于NandFlash芯片设计存储模块,并设计USB通讯接口电路、触发电路,集成4G无线模块、定位授时模块以及电源管理模块。建立爆炸冲击波压力测试系统的误差模型,分别计算各分项测量标准不确定度,并给出该装置总的测量不确定度。针对爆炸冲击波超压信号干扰严重问题,提出测量和剔除振动信号的方法,并验证了其有效性。利用仿真得到的干净冲击波信号及噪声信号模拟实测冲击波信号,采用去噪效果较好的EMD去噪方法对实测冲击波进行去噪处理,提高冲击波压力峰值提取和比冲量计算的准确性。

1.2项目的特色和创新之处(文

（1）泄爆门启闭使用控制系统，提前开启和快速复位。利用热能感应技术和程序控制，实现了在爆炸波到达之前，用电机驱动连杆机构开启泄爆门，让破坏性的冲击波直接冲向天空，达到无损泄爆。泄爆完成后，电机反转立刻关闭泄爆门，恢复系统工作，以便开展抢救工作。

（2）宽幅泄爆门实现同步启闭控制，自动锁紧操作时间少。利用双连杆机构在摆动时能完成圆弧运动轨迹，在宽幅泄爆门两端均设置两组双连杆机构，实现泄爆门的同步打开和关闭动作，避免同侧不同步造成的变形，减少漏风形成的空气短路。

（3）泄爆门密封结构的设计，避免使用液体密封，克服了液体对密封腐蚀，使密封不受季节影响，解决了使用中漏风后形成空气短路的问题。

1.3要达到的主要技术、经济指标及社会、经济效益(

1.3.1主要技术指标

（1）反风时间≤10min

（2）反风时锁紧时间≤10s

（3）泄爆后复位时间≤10s

（4）抗爆强度≥1.0Mpa

（5）爆炸前漏风率≤5%

（6）爆炸后漏风率≤20%

（7）泄爆门最大位移≤6mm

1.3.2社会经济效益

煤炭是我国国民经济发展的主要能源，随着可再生能源的上升，国产煤炭占我国一次能源消费总量的比例将会逐渐下降，但煤炭消费的绝对量仍呈增加趋势。然而我国煤矿安全生产潜在危险源多、灾害形势非常严峻，煤矿百万吨死亡率与国外相比，差距仍很大。在矿难中，一部分人是因为爆炸的冲击波致死，但更多的人是因瓦斯爆炸产生大量有毒有害气体，窒息而死。因而发生事故后应及时进行通风排毒，然而瓦斯爆炸后，由于矿井泄爆门发生严重变形或被高压抛出，井下气流与地面空气发生风流短路，CO等有毒气体无法有效排出而引起大量人员伤亡。另外，由于井下救援的需要，通常应对矿井进行反风，而此时由于泄爆门通常不能及时关闭，同样造成风流短路，从而影响井下救援工作。因而发生瓦斯爆炸后，如何最大限度发挥泄爆门的安全作用十分重要。然而目前保证泄爆门安全的措施仅是对现有泄爆门的结构进行改造。由于矿井发生瓦斯爆炸的当量无法预计，仅对现有泄爆门的结构进行改造实际上无法保证矿井发生瓦斯爆炸时泄爆门不被破坏。据此，提出采用全新泄爆门，在矿井井，保证矿井正常通风，防止瓦斯爆炸灾害事故扩大，最大限度减少损失。

发生瓦斯爆炸、原有泄爆门遭到破坏时备用泄爆门能及时复位、密封风井，保证矿井正常通风，防治瓦斯爆炸灾害事故扩大，最大限度较少损失。

2研究试验方法、技术路线以及工艺流程(文档

2.1试验方法

本项目先后通过扬州大学爆炸状态受力有限元数值模拟分析，中煤科工集团重庆研究院的管道爆炸试验，以及安标国家中心的安全技术评议；此外，原型样机在山西晋煤集团寺河矿使用

2.2技术路线

2.3工艺流程

结论：新型智能化自复式泄爆门克服了传统泄爆门的缺点，平时密封可靠，停风时能自动开启实施自然通风、恢复供风时自动关闭，发生爆炸时迅速开启保护风机、爆炸过后自动复位、能使通风系统迅速恢复正常，给遇险人员自救和应急救援创造了条件，有助于最大限度地减小瓦斯煤尘爆炸造成的人员伤亡，消灭重特大瓦斯煤尘爆炸事故。标题)